איך עובדים רובוטריקים

על פי ההגדרה המובאת ב ויקיפדיה שנאי חשמלי הוא ציוד נייח המחליף כוח חשמלי על פני כמה סלילים הפצועים מקרוב, באמצעות אינדוקציה מגנטית.

זרם המשתנה ללא הרף בסיבוב אחד של השנאי מייצר שטף מגנטי משתנה, וכתוצאה מכך גורם לכוח אלקטרומוטיבי משתנה על פני סליל שני הבנוי על אותה ליבה.

עקרון עבודה בסיסי

רובוטריקים בעצם עובדים על ידי העברת כוח חשמלי בין זוג סלילים באמצעות אינדוקציה הדדית, ללא תלות בכל צורה ישירה של קשר בין שני המתפתלים.

תהליך זה של העברת חשמל באמצעות אינדוקציה הוכח לראשונה בחוק האינדוקציה של פאראדיי, בשנת 1831. על פי חוק זה נוצר המתח המושרה על פני שני סלילים עקב שטף מגנטי משתנה המקיף את הסליל.

הפונקציה הבסיסית של שנאי היא להגביר או להוריד מתח / זרם מתחלף, בפרופורציות שונות בהתאם לדרישת היישום. הפרופורציות נקבעות על פי מספר סיבובים ויחס סיבוב של המתפתל.

ניתוח שנאי אידיאלי

אנו יכולים לדמיין ששנאי אידיאלי יהיה עיצוב היפותטי שעשוי להיות כמעט ללא כל סוג של הפסדים. יתר על כן, העיצוב האידיאלי הזה עשוי להתפתל ראשוני ומשני בצורה מושלמת זה עם זה.

כלומר הקישור המגנטי בין שני המתפתלים הוא דרך ליבה שחדירותה המגנטית היא אינסופית, ועם השראות מפותלות בכוח מגנט-מוטורי אפס כולל.

אנו יודעים שבשנאי, הזרם החלופי המופעל בסלילה הראשונית מנסה לאכוף שטף מגנטי משתנה בתוך ליבת השנאי, הכולל גם את הסלילה המשנית המוקפת סביבו.

בשל השטף המשתנה הזה, כוח אלקטרומוטורי (EMF) נגרם על המסלול המשני באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית. התוצאה היא יצירת שטף על סלילה משנית בעוצמה הפוכה אך שווה לשטף סלילה ראשוני, על פי חוק לנזז .

מכיוון שהליבה נושאת חדירות מגנטית אינסופית, כל השטף המגנטי (100%) מסוגל להעביר את שני המתפתלים.

זה מרמז שכאשר הראשוני נתון למקור AC ועומס מחובר לטרמינלים המתפתלים המשניים, הזרם זורם דרך המתפתל בהתאמה לכיוונים כפי שמצוין בתרשים הבא. במצב זה כוח הליבה המגנטומטיבית מנוטרל לאפס.

תמונה באדיבות: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

בתכנון שנאי אידיאלי זה, מכיוון שהעברת השטף על פני סלילה ראשונית ומשנית היא 100%, על פי חוק פאראדיי המתח המושרה על כל אחד מהסלילים יהיה פרופורציונלי לחלוטין למספר סיבובי הליפוף, כפי שמוצג להלן דמות:

סרטון מבחן המאמת את הקשר הליניארי בין יחס התור הראשוני / המשני.

פגיעות ויחסי מתח

בואו ננסה להבין את חישובי יחס הסיבוב בפירוט:

גודל המתח נטו המושרה מהסיבוב הראשוני למשני נקבע פשוט על ידי היחס בין מספר הסיבובים הפצועים על החלקים הראשוניים והמשניים.

עם זאת, כלל זה חל רק אם השנאי קרוב לשנאי אידיאלי.

שנאי אידיאלי הוא השנאי שיש לו הפסדים זניחים בצורה של אפקט עור או זרם מערבולת.

ניקח את הדוגמה של האיור 1 להלן (לשנאי אידיאלי).

נניח שהסלילה הראשית מורכבת מכ- 10 סיבובים, ואילו המשנית עם סיבוב אחד בלבד. בשל אינדוקציה אלקטרומגנטית, קווי השטף הנוצרים על פני הסיבוב הראשוני בתגובה לזרם הכניסה, מתרחבים ומתמוטטים לסירוגין, וחותכים את 10 הסיבובים של הסיבוב הראשוני. כתוצאה מכך הושרה כמות יחסית מדויקת של המתח על פני הסיבוב המשני בהתאם ליחס הסיבוב.

הפיתול המסופק עם קלט AC הופך לפיתול ראשוני, ואילו הפיתול המשלים המייצר את הפלט באמצעות אינדוקציה מגנטית מהראשוני הופך לפיתול המשני.

איור 1)

מכיוון שלמשני יש סיבוב יחיד בלבד, הוא חווה שטף מגנטי פרופורציונאלי על פני סיבובו היחסי ביחס ל -10 סיבובים של הראשוני.

לכן, מכיוון שהמתח המופעל על פני הראשוני הוא 12 וולט, אז כל אחד מהסלילים שלו יהיה נתון עם EMF נגד של 12/10 = 1.2 וולט, וזה בדיוק גודל המתח שישפיע על הסיבוב היחיד שנמצא על פני החלק המשני. הסיבה לכך היא שיש לו סלילה אחת המסוגלת להוציא רק את אותה כמות אינדוקציה שווה ערך שיכולה להיות זמינה לאורך הסיבוב היחיד מעל הראשוני.

כך המשני עם סיבוב יחיד יוכל לחלץ 1.2V מהראשוני.

ההסבר לעיל מצביע על כך שמספר הסיבובים על פני שנאי ראשי תואם באופן ליניארי עם מתח האספקה ​​עליו והמתח פשוט מחולק במספר הסיבובים.

לכן במקרה הנ'ל מכיוון שהמתח הוא 12 וולט, ומספר הסיבובים הוא 10, מונה ה- EMF נטו המושרה על פני כל אחד מהסיבובים יהיה 12/10 = 1.2 וולט

דוגמה מס '2

בואו נתאר לעצמנו את האיור 2 למטה, הוא מראה סוג דומה של תצורה כמו באיור 1. מצפה למשני שיש לו כעת סיבוב נוסף אחד, כלומר 2 מספר סיבובים.

למותר לציין שכעת המשנית תעבור פי שניים שורות שטף בהשוואה למצב איור 1 שהיה לו סיבוב אחד בלבד.

אז כאן הסלילה המשנית תקרא בסביבות 12/10 x 2 = 2.4V מכיוון ששתי הסיבובים יושפעו מגודל EMF הנגדי שעשוי להיות שווה ערך על פני שני הסיבובים בצד הראשוני של הטרפו.

לכן מהדיון לעיל באופן כללי אנו יכולים להסיק שבשנאי היחסים בין המתח ומספר הסיבובים על פני הראשוני והמשני הם די לינאריים ופרופורציוניים.

מספרים של שנאי שנאי

לפיכך, הנוסחה הנגזרת לחישוב מספר הסיבובים עבור שנאי כלשהו יכולה להתבטא כ:

Es / Ep = Ns / Np

איפה,

• Es = מתח משני ,
• Ep = מתח ראשוני,
• Ns = מספר סיבובים משניים,
• Np = מספר סיבובים ראשוניים.

יחס תור משני ראשי

מעניין לציין כי הנוסחה שלעיל מצביעה על קשר ישר בין היחס בין המתח המשני לבין הראשוני המשני למספר הסיבובים הראשוני, אשר מסומנים כמידתיים ושווים.

לכן המשוואה הנ'ל יכולה לבוא לידי ביטוי גם כ:

Ep x Ns = Es x Np

בהמשך, אנו יכולים לגזור את הנוסחה הנ'ל לפתרון Es ו- Ep כמוצג להלן:

Es = (Ep x Ns) / Np

בדומה לכך,

Ep = (Es x Np) / Ns

המשוואה לעיל מראה שאם קיימים 3 סגנונות, ניתן לקבוע את העוצמה הרביעית בקלות על ידי פתרון הנוסחה.

פתרון בעיות מעשיות של שנאי

מקרה בנקודה 1: לשנאי יש 200 מספר סיבובים בקטע הראשי, 50 סיבובים בסיבוב השני ו -120 וולט המחובר לרצף הראשי (Ep). מה יכול להיות המתח על פני המשני (E s)?

נָתוּן:

• Np = 200 סיבובים
• Ns = 50 סיבובים
• Ep = 120 וולט
• האם =? וולט

תשובה:

Es = EpNs / Np

מחליף:

Es = (120V x 50 סיבובים) / 200 סיבובים

Es = 30 וולט

מקרה בנקודה 2 : נניח שיש לנו 400 סיבובי חוט בסליל ליבת ברזל.

בהנחה שנדרש להשתמש בסליל כסלילה ראשונית של שנאי, חישב את מספר הסיבובים שצריך להתפתל על הסליל כדי לרכוש את הסיבוב המשני של השנאי כדי להבטיח מתח משני של וולט אחד במצב בו הראשוני המתח הוא 5 וולט?

נָתוּן:

• Np = 400 סיבובים
• Ep = 5 וולט
• Es = 1 וולט
• Ns =? מסתובב

תשובה:

EpNs = EsNp

שינוע עבור Ns:

Ns = EsNp / Ep

מחליף:

Ns = (1V x 400 סיבובים) / 5 וולט

Ns = 80 סיבובים

לִזכּוֹר: יחס המתח (5: 1) שווה ערך ליחס המתפתל (400: 80). מדי פעם, כתחליף לערכים מסוימים, אתה מוצא את עצמך מוקצה ביחס סיבוב או מתח.

במקרים כאלה, אתה יכול פשוט להניח כל מספר שרירותי עבור אחד המתחים (או המתפתל) ולעבד את הערך החלופי האחר מהיחס.

להמחשה, נניח שיחס סלילה נקבע כ- 6: 1, אתה יכול לדמיין כמות סיבוב עבור החלק הראשי ולהבין את המספר המשני המקביל של סיבובים, תוך שימוש בפרופורציות דומות כמו 60:10, 36: 6, 30: 5 וכו '.

השנאי בכל הדוגמאות שלעיל נושא מספר פחות סיבובים בקטע המשני בהשוואה לחלק העיקרי. מסיבה זו, אתה יכול למצוא כמות מתח קטנה יותר על פני המשנית של הטרפו ולא על פני הצד הראשוני.

מהם רובוטריקים מדורגים ומדרגים

שנאי שדירוג מתח הצד המשני נמוך מדירוג מתח הצד הראשי מכונה a שנאי STEP-DOWN .

לחלופין, אם קלט ה- AC מוחל על הסלילה שמספר הסיבובים שלה גבוה יותר, השנאי מתנהג כמו שנאי מדורג.

היחס בין שנאי צעד למטה לארבעה אחד כתוב כ -4: 1. שנאי הכולל מספר פחות סיבובים בצד הראשוני בהשוואה לצד המשני ייצר מתח גבוה יותר על פני הצד המשני בהשוואה למתח המחובר על פני הצד הראשי.

שנאי בעל צד משני המדורג מעל המתח על פני הצד הראשי מכונה שנאי STEP-UP. לחלופין, אם כניסת ה- AC מוחלת על סלילה עם מספר סיבובים נמוך יותר, השנאי פועל כמו שנאי מגביר.

היחס בין שנאי צעד-מעלה צריך להיות רשום כ -1: 4. כפי שניתן לראות בשני היחסים שגודל המיתול הצדי הראשי מוזכר בעקביות בהתחלה.

האם אנו יכולים להשתמש בשנאי צעד-למטה כ שנאי צעד-למעלה ולהיפך?

כן בהחלט! כל השנאים עובדים באותו עיקרון בסיסי כמתואר לעיל. שימוש בשנאי מעלה כ שנאי מדרגות פשוט פירושו להחליף את מתח הכניסה על פני סלילה ראשונית / משנית שלהם.

לדוגמא, אם יש לך שנאי שלב רגיל לאספקת חשמל המספק לך פלט 12-0-12 וולט מזרם כניסה 220 וולט, אתה יכול להשתמש באותו שנאי כמו שנאי עלייה להפקת פלט 220 וולט מפיצי 12 וולט קֶלֶט.

דוגמה קלאסית היא מעגל מהפך , שבו השנאים אין בהם שום דבר מיוחד. כולם עובדים באמצעות שנאים רגילים המופנים מחוברים בצורה הפוכה.

השפעת העומס

בכל פעם שעומס או מכשיר חשמלי מחובר על סלילה שנייה של שנאי, זרם או מגברים עוברים על הצד המשני של הפיתול יחד עם העומס.

השטף המגנטי שנוצר על ידי הזרם בפיתול המשני מתקשר עם קווי הזרימה המגנטיים הנוצרים על ידי המגברים בצד הראשוני. התנגשות זו בין שני קווי השטף נוצרת כתוצאה מההשראות המשותפת בין הסיבוב הראשוני למשני.

שטף הדדי

השטף המוחלט בחומר הליבה של השנאי נפוץ הן לפיתולים הראשוניים והן למשניים. זו גם דרך שדרכה הכוח החשמלי מסוגל לעבור מהסלילה הראשונית לסיבוב המשני.

בשל העובדה ששטף זה מאחד את שני הפיתולים, התופעה המכונה בדרך כלל MUTUAL FLUX. כמו כן, ההשראות המייצרות שטף זה רווחת לשני הפיתולים ומכונה השראות הדדית.

איור (2) להלן מציג את השטף שנוצר על ידי הזרמים בפיתול הראשוני והמשני של שנאי בכל פעם שזרם האספקה ​​מופעל בפיתול הראשוני.

איור (2)

בכל פעם שעמידות העומס מחוברת לסלילה המשנית, המתח המגורה לסלילה המשנית מפעיל זרם להסתובב בסיבוב המשני.

זרם זה מייצר טבעות שטף סביב הפיתול המשני (המצוין כקווים מנוקדים) שעשויות להיות אלטרנטיבה לשדה השטף סביב הראשוני (חוק לנץ).

כתוצאה מכך, השטף סביב הפיתול המשני מבטל את רוב השטף סביב הפיתול הראשוני.

עם כמות קטנה יותר של שטף שמקיף את המסלול העיקרי, EMF ההפוך נחתך ומגבר נוסף נשאב מההיצע. הזרם המשלים בפיתול הראשוני משחרר קווי שטף נוספים, וכך די מחזיר את הכמות הראשונית של קווי השטף המוחלטים.

פגיעות ויחסים שוטפים

כמות קווי השטף המיוצרים בליבת טראפו היא פרופורציונאלית לכוח הממגנט

(בסיבובים אמפריים) של הפיתולים הראשוניים והמשניים.

סיבוב האמפרפר (I x N) מעיד על כוח המניע המגנטו ניתן להבין שהוא הכוח המגנטי המופק על ידי אמפר זרם אחד הפועל בסליל של סיבוב אחד.

השטף הזמין בליבת שנאי מקיף יחד את הפיתולים הראשוניים והמשניים.

בהתחשב בכך שהשטף זהה לכל פיתול, תפניות האמפר בכל פיתול ראשוני ומשני צריכות להיות זהות לחלוטין.

מסיבה זו:

IpNp = IsNs

איפה:

IpNp = אמפר / סיבובים בפיתול הראשוני
IsNs - אמפר / סיבובים בפיתול המשני

על ידי חלוקת שני צידי הביטוי ב
Ip , אנחנו מקבלים:
Np / Ns = Is / Ip

מאז: Es / Ep = Ns / Np

לאחר מכן: Ep / Es = Np / Ns

גַם: Ep / Es = Is / Ip

איפה

• Ep = מתח המופעל על פני ראשוני בוולט
• Es = מתח על פני המשני בוולט
• Ip = זרם ראשוני ב- Amp
• האם = זרם המשני במגברים

שים לב שהמשוואות מציינות את יחס האמפר שהוא ההפוך של סלילה או יחס סיבוב, כמו גם יחס מתח.

זה מרמז, שנאי שיש בו פחות סיבובים בצד המשני בהשוואה לראשוני עשוי להוריד את המתח, אך הוא יגביר את הזרם. לדוגמה:

שנאי נניח שיש יחס מתח 6: 1.

נסה למצוא את הזרם או המגברים בצד המשני אם הזרם או המגבר בצד הראשוני הם 200 מילימפר.

לְהַנִיחַ

Ep = 6V (כדוגמה)
האם = 1V
IP = 200 mA או 0.2 אמפר
האם =?

תשובה:

Ep / Es = Is / Ip

שינוע עבור האם:

האם = EpIp / Es

מחליף:

האם = (6V x 0.2A) / 1V
האם = 1.2A

התרחיש שלעיל מתייחס לכך שלמרות שהמתח על פני הסיבוב המשני הוא שישית מהמתח על פני הסלילה הראשונית, המגברים בסיבוב המשני הם פי 6 מגברים בסיבוב הראשוני.

ניתן לראות היטב את המשוואות הנ'ל מנקודת מבט חלופית.

יחס המתפתל מסמל את הסכום דרכו השנאי מגביר או מגביר או מפחית את המתח המחובר לצד הראשוני.

רק לשם המחשה, נניח שאם לפיתול המשני של שנאי יש מספר סיבובים כפול יותר מהסלילה הראשונית, המתח המגורה לצד המשני יהיה כנראה כפול מהמתח על פני הפיתול הראשוני.

במקרה שהסלילה המשנית נושאת מחצית ממספר הפניות לצד הראשוני, המתח על פני הצד המשני עומד להיות מחצית המתח על פני הפיתול הראשוני.

עם זאת, יחס המתפתל יחד עם יחס המגבר של שנאי מהווים אסוציאציה הפוכה.

כתוצאה מכך, שנאי עלייה של 1: 2 יכול להכיל מחצית המגבר בצד המשני בהשוואה לצד הראשוני. שנאי 2: 1 למטה יכול להיות בעל פי שניים מגבר במפתל המשני ביחס לצד הראשוני.

אִיוּר: שנאי עם יחס סלילה של 1:12 בעל 3 אמפר זרם בצד המשני. לגלות את גודל המגברים בפיתול הראשוני?

נָתוּן:

Np = סיבוב אחד (למשל)
Ns = 12 סיבובים
האם = 3Amp
Lp =?

תשובה:

Np / Ns = Is / Ip

מחליף:

Ip = (12 סיבובים x 3 אמפר) / סיבוב אחד

Ip = 36A

חישוב השראות הדדיות

אינדוקציה הדדית היא תהליך שבו סלילה אחת עוברת אינדוקציה של EMF עקב קצב שינוי הזרם של הסלילה הסמוכה המוביל לצימוד אינדוקטיבי בין המתפתל.

במילים אחרות השראות הדדית הוא היחס בין EMF המושרה על פני סלילה אחת לבין קצב שינוי הזרם על המתפתל האחר, כפי שמתבטא בנוסחה הבאה:

M = emf / di (t) / dt

הדרגת רובוטריקים:

בדרך כלל, כשאנחנו בוחנים שנאים, רובנו מאמינים שהמתח והזרמים הראשוניים והמשניים הנפתלים נמצאים בשלב זה עם זה. עם זאת, יתכן וזה לא תמיד נכון. בשנאים, הקשר בין המתח, זווית הפאזה הנוכחית על פני ראשוני ומשני נשען על האופן שבו מתפתלים אלה מתפתלים סביב הליבה. זה תלוי אם שניהם בכיוון נגד כיוון השעון, או בכיוון השעון או שמא אחד מתפתל בכיוון השעון ואילו השני מתפתל נגד כיוון השעון.

בואו נתייחס לתרשימים הבאים כדי להבין כיצד אוריינטציה המתפתלת משפיעה על זווית הפאזה:

בדוגמה שלעיל כיווני המתפתל נראים זהים, כלומר גם סלילה ראשונית וגם משנית מופנים בכיוון השעון. בשל כיוון זהה זה, זווית הפאזה של זרם המוצא והמתח זהה לזווית הפאזה של זרם הכניסה והמתח.

בדוגמה השנייה לעיל, ניתן לראות כיוון מתפתל השנאי פצוע בכיוון הפוך. כפי שניתן לראות נראה כי הראשוני הוא כיוון השעון ואילו המשני נפצע נגד כיוון השעון. בשל כיוון מתפתל מנוגד זה, זווית הפאזה בין שתי המתפתלות היא 180 מעלות זו מזו, והפלט המשני המושרה מראה תגובת זרם מתח ומתח.

סימון נקודות וכינוס נקודות

על מנת להימנע מבלבול, סימון הנקודה או מוסכמות הנקודה משמשים כדי לייצג את האוריינטציה המתפתלת של שנאי. זה מאפשר למשתמש להבין את מפרטי זווית הקלט והפלט, בין אם הפיתול הראשוני והמשני נמצא בשלב או מחוץ לפאזה.

מוסכמות הנקודות מיושמת על ידי סימני נקודה על פני נקודת ההתחלה המתפתלת, המציינת אם הפיתול נמצא בשלב או מחוץ לשלב זה עם זה.

סכמת השנאי הבאה נושאת ציון מוסכמות נקודה והיא מסמנת שהראשוני והמשני של השנאי נמצאים בשלב זה עם זה.

סימון הנקודות המשמש באיור שלהלן מציג את הנקודות המוצבות על הנקודות ההפוכות של הראשית והמשנית המשנית. זה מצביע על כך שכיווני המתפתל של שני הצדדים אינם זהים ולכן זווית הפאזה על פני שתי המתפתלות תהיה 180 מעלות מחוץ לשלב כאשר מוחל קלט AC על אחד המפותל.

הפסדים בשנאי אמיתי

החישובים והנוסחאות שנחשבו בפסקאות לעיל התבססו על שנאי אידיאלי. אולם בעולם האמיתי, ולשנאי אמיתי, התרחיש עשוי להיות שונה בהרבה.

תגלה שבעיצוב אידיאלי יתעלם מהגורמים הליניאריים הבסיסיים הבאים של שנאים אמיתיים:

(א) סוגים רבים של הפסדי ליבה, הידועים יחד כממגנטים הפסדים שוטפים, העשויים לכלול את סוגי ההפסדים הבאים:

• הפסדי היסטריה: זה נגרם בגלל השפעות לא לינאריות של השטף המגנטי על ליבת השנאי.
• הפסדי זרם אדי: הפסד זה נוצר כתוצאה מהתופעה הנקראת חימום ג'אול בליבת השנאי. הוא פרופורציונלי לריבוע המתח המופעל על הראשוני של השנאי.

(ב) בניגוד לשנאי האידיאלי, התנגדות הסלילה בשנאי אמיתי לעולם לא יכולה להיות בעלת התנגדות אפסית. המשמעות של הסיבוב תהיה בסופו של דבר התנגדות והשראות קשורות אליהם.

• הפסדי ג'ול: כפי שהוסבר לעיל, ההתנגדות הנוצרת על פני מסופי המתפתל מולידה הפסדי ג'ול.
• שטף נזילה: אנו יודעים כי שנאים תלויים במידה רבה בהשראה מגנטית על פני סלילתם. עם זאת, מכיוון שהסלילה בנויה על ליבה אחת משותפת, השטף המגנטי מראה נטייה של דליפה על פני הלידה דרך הליבה. זה מוליד עכבה הנקראת עכבה תגובית ראשונית / משנית, התורמת לאובדן השנאי.

(ג) מכיוון ששנאי הוא גם סוג של משרן, הוא מושפע גם מתופעה כמו קיבול טפילי ותהודה עצמית, בגלל התפלגות השדה החשמלי. קיבול טפילי זה יכול בדרך כלל להיות בשלוש צורות שונות כמפורט להלן:

• קיבוליות שנוצרת בין הסיבובים אחד מעל השני בתוך שכבה אחת
• קיבוליות שנוצרת על פני שתי שכבות סמוכות או יותר
• קיבוליות שנוצרה בין ליבת השנאי לשכבת / ים המפותלת השוכנת בסמוך לליבה

סיכום

מהדיון לעיל אנו יכולים להבין כי ביישומים מעשיים חישוב שנאי, במיוחד שנאי ליבת ברזל עשוי להיות לא פשוט כמו שנאי אידיאלי.

כדי לקבל את התוצאות המדויקות ביותר לנתונים המתפתלים נצטרך לקחת בחשבון גורמים רבים כגון: צפיפות שטף, אזור הליבה, גודל הליבה, רוחב הלשון, שטח החלון, סוג חומר הליבה וכו '.

תוכלו ללמוד עוד על כל החישובים הללו תחת הודעה זו: